JPS63253631A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えばＬＳＩにおいて形成される多層配線
構造の上層の配線層と下層の配線層との間を接続するヴ
イアホール、あるい半導体基板に形成される回路素子の
電極部を取り出すコンタクトホールのような開口を形成
する手段を改良した半導体装置の製造方法に関する。

［従来の技術］ 例えば、超ＬＳＩデバイスにおいて用いられる多層配線
構造にあっては、複数の金属配線層が層間絶縁層をそれ
ぞれ介して積層されるようになっているものであり、そ
の各配線層の相互間は適宜電気的に接続されるようにな
っている。この積層設定されるようになる金属配線層を
接続する手段としては、その配線層の相互間に設定され
る層間絶縁層に、上層配ｔ１層と下層配線層とを結ぶヴ
イアホールを形成し、このヴイアホール内に配線材料を
充填して、上下配線層の相互間が電気的に接続されるよ
うにしている。

この場合、上記ヴイアホールの部分で、特に上層の配線
層に括れが生ずるようになるものであり、この括れ部分
で上層配線層に断線等の事故が発生するおそれがある。

このような断線を防止するためには、上記ヴイアホール
の部分で、上層配線層に急激な段差が形成されるような
括れが生じないようにすればよいものであり、このため
にヴイアホールの側面に適当な傾斜を形成するように、
ヴイアホールを上層配線層方向に向けて開くようにした
テーパ状の形状とすればよい。

このようなテーパ状の開口を形成するような手段として
は、アルミニウムのテーパエツチングについては知られ
ているものであるが、アルミニウムは化学反応のみによ
ってエツチングが進行するのに対して、窒化膜あるいは
酸化膜等の絶縁膜は、そのエツチングのためにイオンに
よる衝撃が必要となる。したがって、上記アルミニウム
に対するテーパエツチングの技術を層間絶縁層のエツチ
ングに適用することはできない。

層間絶縁層のような絶縁層に、テーパ状の開口するヴイ
アホールを形成するためには、例えばウェットエツチン
グによる加工手段が用いられる。

しかし、このような方法でヴイアホールを形成したので
は、この形成されたヴイアホールの上部開口部分の径が
広がるような形状となり、集積化を向上させるために微
細化することが困難である。

したがって、例えば設計基準で２μｍに微細化するよう
な場合にあっては、ドライエツチング技術によって、層
間絶縁層にヴイアホールを形成させるようにしなければ
ならない。

ドライエツチングとしては、例えば反応性イオンエツチ
ングが用いられるものであり、ヴイアホールの傾斜部分
の加工には、レジストの後退を利用する方法がある。し
かし、この方法では層間絶縁層の形状、例えば段差の存
在や膜厚の相違によって、ヴイアホールの径や角度に相
違がでるものであり、均一な径で且つ均一な傾斜角の設
定されるヴイアホールを形成することが困難となる。

また、特開昭５９−１８１０３０号公報に示されるよう
に、反応性イオンエツチング装置を用いて、異方性エツ
チングによってヴイアホールの開口部に傾斜角を形成さ
せるようにする加工手段が考えられている。この場合反
応ガスとしては、「ＣＦ４＋水素」の混合ガス、　ある
いは「０３Ｆ８＋水素」の混合ガスを使用するようにし
た例が示されているものであるが、この場合のエツチン
グ時間は３０分以上必要となる。しかも、このような長
時間のエツチングを行っても、テーパ部分の形状は不十
分であった。さらに水素との混合ガスを反応ガスとして
使用するものであるため、その含有水素量の状態によっ
て、面内分布さらにエツチング速度が影響されるように
なり、また安全性の面で問題を有するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、例え
ば層間絶縁層の形状、さらに膜厚に関係することなく、
一様な状態で適正な傾斜角度が設定されたヴイアホール
等の開口を上記絶縁層に形成することができ、例えば超
ＬＳＩの多層配線構造の部分の加工が非常に容易に且つ
信頼性の得られる状態で行ない得るようにする半導体装
置の製造方法を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体装置の製造方法にあっ
ては、半導体基板上に形成された層間絶縁膜等の絶縁層
上に、レジストパターンを形成し、上記絶縁層に上記パ
ターンに対応して垂直の開口を形成すると共に、この開
口部の周部に磁場を設定することによりマグネトロン放
電を起こす反応性イオンエツチング装置によってエツチ
ングするものであり、この場合マグネトロン放電によっ
てポリマーが生成されるようにし、このポリマーの堆積
速度とこのポリマーのエツチング速度との比ｒ、および
上記ポリマーのエツチング速度と絶縁層のエツチング速
度との比Ｒが、それぞれ“ｒ〈１＃および“Ｒ＞ｌ”と
されるようにエツチング条件を設定させるようにするも
のである。

［作用］ 上記のように半導体装置の製造方法にあっては、例えば
回路素子の形成された半導体基板の上に下層の金属配線
層が形成され、この金属配線層部分を含む半導体基板上
に層間絶縁層が形成されるようになるものであり、この
層間絶縁層に上記配線層部分に対応して垂直状態の開口
が形成される。

そして、この層間絶縁層の開口部分がマグネトロン装置
によって磁場の設定された反応性イオンエツチング装置
によってエツチングされるようになる。この反応性イオ
ンエツチング装置にあっては、上記磁場の効果によって
マグネトロン放電を起こすようになるものであり、プラ
ズマ密度の極めて大きい雰囲気とされ、マグネトロン放
電による反応活性種の増大によって、エツチング速度が
効果的に向上されるようになる。また、例えば反応性ガ
スとしてＣ２Ｆ６を用いるようにした場合、プラズマ中
にＣＦ２等の不飽和フッ素化炭素が容易に生成されるよ
うになり、エツチングされる絶縁層の表面にポリマーが
効果的に堆積されるようになる。このポリマーの量はエ
ツチング−堆積の競争反応バランスによって決定され、
エツチング条件の設定によってエツチング形状が制御さ
れるようになり、上記絶縁層に形成された開口部分に適
正なテーパが効率的に形成されるようになるものである
。

［発明の実施例］ 以下、この発明の実施例につき説明する。この実施例で
は超ＬＳＩデバイスにおいて、多層配線を行う場合につ
いて説明するもので、まず第１図の（Ａ）で示すように
回路素子が形成されるようになったシリコン等の半導体
基板１１の表面上には酸化膜等による絶縁膜１２が形成
され、この絶縁膜１２上にアルミニウム等の金属配線層
１３が形成されるようになる。そして、この配線層１３
部分を含むようにして、半導体基板１１の全面に、例え
ばプラズマＣＶＤ法によって形成された窒化膜等による
層間絶縁層Ｌ４が形成される。そして、この層間絶縁層
１４上には、上記金属配線層１３の位置に対応して開口
を形成したレジストパターン■５を形成するものである
。

このようにしてレジストパターン１５が形成されたなら
ば、反応性イオンエツチングによる第１のエツチング工
程によって、第１図の（Ｂ）で示すように層間絶縁層１
４に、垂直の側面を有する開口１Ｂを形成し、レジスト
パターン１５を除去するものである。

このようにして、層間絶縁層１４に垂直状態の開口１６
が形成されたならば、この層間絶縁層１４の特に開口１
６部分を第２のエツチング工程によってエツチングし、
第１図の（Ｃ）で示すように開口ＩＢの周囲をテーパ面
としたヴイアホール１７を形成させるようにする。

ここで、上記テーパ面を形成する第２のエツチング工程
は、第２図で示すようなエツチング装置２１を用いる。

このエツチング装置２■は、通常の反応性イオンエツチ
ング装置に電極２２１　、２２２を設定し、高周波電源
２３から高周波電力を供給するようにすると共に、マグ
ネット２４により直行する磁場を設定するようにしてい
るもので、上記電極２２１上にエツチングしようとする
半導体ウェハ２５が設定されるように゛している。そし
て、このエツチング装置２１内には、例えばＣ２Ｆ６で
なる反応性ガスが充填されるようにしている。この場合
、水素を含むガスや水素を添加したガスを用いる必要の
ないものであり、水素フリーの条件でエツチングさせる
ようにする。

そして、例えば８００ガウスの磁場を設定し、高周波電
源２３から５００〜１００ＯＷの高周波電力が印加設定
され、マグネトロン放電が発生されるようにしているも
ので、エツチング圧力数Ｐａから３０Ｐａの範囲でエツ
チングが行われるようにする。

このような条件のもとに第１図の（Ｂ）で示したような
試料ウェハ２５を、約３０秒〜２分エツチングを行うと
、第１図の（Ｃ）で示したように緩やかなテーパ傾斜面
を有するヴイアホール１７が形成されるようになる。

このようなマグネトロン放電を用いた反応性イオンエツ
チングにあっては、マグネトロン放電による活性種の増
大によってエツチング速度が効果的に増大されるもので
あり、極めて短時間に上記テーパ傾斜面を形成するエツ
チングが行われるようになり、従来の通常の反応性イオ
ンエツチングに比較して１／１０〜１／６０以下の状態
とされる。そして、通常の反応性イオンエツチングによ
っては、ヴイアホールの開口部にテーパ傾斜面を形成す
るようなエツチングを行うことができない。

上記のようなマグネトロン装置を用いるような反応性イ
オンエツチングにあっては、マグネトロン放電によって
プラズマが発生され、このプラズマ中にＣＦ２等の不飽
和フッ化炭素が容易に生成できるようになり、ｃｘ　Ｆ
Ｙなる組成のポリマーが効果的に発生されるようになる
。したがって、そのエツチング過程において、第３図に
示すようにヴイアホール１７の表面に上記ポリマー３０
が堆積付着し、その量はエツチング−堆積の競争反応の
バランスによって決定される。したがって、エツチング
条件によってこのバランスを可変制御できるものであり
、これによりエツチング形状が制御できるようになる。

上記マグネトロン放電によるエツチング反応は、ポリマ
ー３０の堆積速度Ｖｌとこのポリマーのエツチング速度
ｖ２との比ｒＶ１　／Ｖ２−　ｒＪ　、およびポリマー
３０のエツチング速度ｖ２と層間絶縁層１４ノ工ツチン
グ速度Ｖ３との比ｒＶ２　／Ｖ３−ＲＪによって支配さ
れるもので、実験の結果“Ｒ＞１”および“ｒ＜１”の
状態で、上記のようなテーバ面を有するヴイアホール１
７が形成されることが判明した。

コノようなエツチング条件を満足させるためには、次の
ような条件が必要である。

ａ）ポリマー生成速度が大である。

ｂ）ポリマーエツチング速度が大である。

Ｃ）絶縁層のエツチング速度が大である。

ｄ）“ｒ＜１”および“Ｒ＞１“である。

このような条件を満足させるためには、実施例で示した
ようなマグネトロン放電が必要となるものであり、且つ
適正な反応ガスおよびエツチング圧力の設定が必要であ
る。

前述したように、通常の反応性イオンエツチングを行う
場合には、水素を含む混合ガスを反応ガスとして用いる
ものであり、且つそのエツチング時間は非常に大きなも
のであった。

しかし、上記マグネトロン放電を用いる反応性イオンエ
ツチングにあっては、例えば０２Ｆ６の水素を含まない
単体ガスのみでエツチングが行われるものであり、水素
混合ガスを使用する場合の問題点が発生することがない
。反応性イオンエツチングは、イオンの入射角依存性に
よるものであるが、マグネトロン放電が存在する場合、
イオン入射角依存性はあまりないものであり、前記エツ
チング速度比ｒおよびＲによって支配されるようになる
。

ここで、ポリマーを効果的に発生させるためには、ウェ
ハーをセットする電極上にポリイミドあるいはテフロン
等の絶縁板を設定すると効果的である。

第１図の（Ｄ）は、上記のようにヴイアホール１７が形
成された状態で、さらに層間絶縁層１４上に上層の金属
配線層１８を形成した状態を示すもので、この金属配線
層１８はヴイアホール１７内に充填される配線材料によ
って、下層の金属配線層１３と電気的に接続されるよう
になる。そして、この上層の配線層１８上には、さらに
層間絶縁層１９が積層形成されるようになる。

すなわち、上層金属配線層１８にあっては、緩やかなテ
ーパ断面のヴイアホール１７を介して下層配線層１３に
接続されるようになるものであり、その相互の接続部分
にあっては、急激な段差部分が存在せず、上層配線層１
８に括れ等が生ずることがない。したがって、上層配線
層１８に断線等が生ずることがなく、その信頼性が充分
に得られるようになるものである。

以下に、具体的な実施例を説明する。

［実施例１］ 第１図の（Ｂ）で示すようにして層間絶縁層１４をプラ
ズマＣＶＤ法により製作した１、３μｍのプラズマ窒化
膜で構成し、これを８００ガウスの磁場が設定されたマ
グネトロン反応性イオンエツチング装置でエツチングし
た。このときのエツチング条件は、エツチング圧力１３
Ｐａ、反応ガスは　０２Ｆ６を３０ＳＣＣＭ、高周波電
力は１３．５６ＭＨｚで６００　Ｗ　ｓ　ニー／チング
時間は７０秒とした。その結果、ヴイアホールの傾斜角
度は６０°となり、第３図で破線で示すような断面形状
となった。

［実施例２］ 上記実施例１と同様の構造で、層間絶縁層１４が昇圧Ｃ
ＶＤによるＰＳＧ膜によって構成されるようにする。そ
して、実施例１と同一の条件でエツチングした結果、ヴ
イアホールは垂直状態のままで、テーパ形状とはならな
かった。そこで、プラズマ中の状態をプラズマ発光分析
法によって分析してみたところ、層間絶縁層をＰＳＧ膜
で構成した場合、反応生成物であるＣＯのピークが増大
していることが判明した。すなわち、ＰＳＧ中の酸素が
エツチング中に蒸発し、ポリマーの生成を抑制している
ものであった。

そこで、ポリマーを多く発生させるために、エツチング
圧力を１３Ｐａから３０Ｐａにしたところ、第３図の破
線のような形状のヴイアホールが得られた。

プラズマ窒化膜とＰＳＧ膜について、それぞれエツチン
グ条件を変えてテーパエツチングした結果を第１表およ
び第２表に示す。

第　１　表（窒化膜） 第　　２　　表　（ＰＳＧ） 上記表において、「本発明」マグネトロン反応性イオン
エツチングを使用した場合であり、「従来」は通常の反
応性イオンエツチングを使用した場合である。

また、Ｑは良好を示し、△は効果は認められる場合を示
し、さらにＸは効果無しを示している。

［比較例］ 上記実施例との対比のための比較例を示す。この比較例
にあっては、通常の反応性イオンエツチング装置によっ
て、実施例で示したと同様の実験を行った。しかし、ど
の条件のもとであってもヴイアホールに適正なテーパ傾
斜角は得られなかった。但し、この実験においては高周
波電力を１００Ｗ、エツチング時間を２０分とした。ま
た、ｒｃ３ＦＢ　＋Ｈ２Ｊの混合ガスにおいて実験を行
ったが、若干の面取りは認められたものの、ヴイアホー
ルの深さの１／１ｏ程度の範囲でのみしかエツチングさ
れない状態であった。さらにエツチング時間を長くして
みても、層間絶縁層の膜厚が減少するのみで、ヴイアホ
ールの断面形状をテーパ状に整形することはできなかっ
た。

これまでの実施例にあっては、多層配線構造とする場合
の下層配線層と上層配線層とを接続するヴイアホールを
形成する場合について説明してきたが、第４図で示すよ
うに半導体基板１１に形成される回路素子部に設定され
る端子（図示せず）を導出するコンタクトホール２０を
絶縁層１４に形成する場合でも、上記ヴイアホールと同
様な方法で形成できるものである。このコンタクトホー
ルを形成する際に、前記表に示されたような反応ガス条
件でエツチング圧力２０Ｐａに設定し、３０秒エツチン
グしたところ、テーパ傾斜角６５′′の良好なコンタク
トホールが形成された。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体装置の製造方法によ
れば、層間絶縁層のような窒化膜あるいは酸化膜等で構
成される絶縁層に対して、適正なテーパ傾斜角度の設定
されるヴイアホールのような開口を簡単に形成できるよ
うになるものであり、特に絶縁層の形状および膜厚に関
係することなく、上記傾斜角度が一様な状態で形成され
るようになる。したがって、例えば超ＬＳＩデバイス等
において多層配線構造を実施しようとするような場合に
おいて、多層の配線層の相互間の接続構造が信頼性の得
られる状態で容易に構成できるようになり、また回路素
子からの電極導出部を構成するコンタクトホール等にお
いて、信頼性の高い状態で金属配線が行われるようにな
って、高集積化と共に信頼性の高い半導体装置が容易且
つ確実に製造できるようになるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図の（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれこの発明の一実施例
に係る半導体の製造過程を順次説明する図、第２図は上
記実施例で使用されるマグネトロン放電を利用した反応
性イオンエツチング装置を説明する図、第３図は上記製
造方法において形成されるポリマーの堆積状態を説明す
る図、第４図はこの発明の他の応用例を説明する図であ
る。 １１・・・半導体基板、１３金属配線層、１４・・・層
間絶縁層、１５・・・レジストパターン、１６・・・開
口（垂直状態）１７・・・ヴイアホール（テーパ傾斜面
）。 （Ｂ） １１１１図 第３図 ｊｌＩ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電極部あるいは配線層等が形成された半導体基板上に絶
   縁層を形成する工程と、 上記絶縁層上に上記電極部あるいは配線層部に対応して
   開口を形成したレジストパターンを形成する工程と、 上記レジストパターンの開口に対応して、上記絶縁層に
   上記電極部あるいは配線層部に至る垂直状態の開口を形
   成する第１のエッチング工程と、上記絶縁層に形成され
   た開口の周囲をテーパ状にエッチングする、マグネトロ
   ン放電雰囲気で行われる反応性イオンエッチングによる
   第２のエッチング工程とを具備し、 この第２のエッチング工程では、上記マグネトロン放電
   によってポリマーが堆積形成されるようにし、このポリ
   マーの堆積速度とこのポリマーのエッチング速度との比
   “ｒ”、および上記ポリマーのエッチング速度と上記絶
   縁層のエッチング速度との比“Ｒ”が、それぞれ“ｒ＜
   １”および“Ｒ＞１”とされるように上記第２のエッチ
   ングの条件が設定されるようにすることによって、上記
   絶縁層の開口部に傾斜角を設定するようにしたことを特
   徴とする半導体装置の製造方法。